La Flessione Retta e la Formula di Navier
1.2 L2 — Flessione Retta

La Flessione Retta e la Formula di Navier

Perché una trave caricata si incurva, come si distribuiscono deformazioni e tensioni nella sezione e come si ricava, passo dopo passo, la formula σ = M·y/I.

Materia — Progettazione, Costruzione e Impianti Indirizzo — CAT, Costruzioni Ambiente e Territorio Durata — 3 ore
P la trave si incurva: fibre superiori compresse, inferiori tese
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Dalla formula usata alla formula ricavata

Nella lezione G2 la formula di Navier è stata enunciata e applicata. Qui la ricaviamo.

Per ricavarla servono tre ingredienti, tutti già in mano: la geometria della deformazione (le sezioni restano piane, ipotesi di Bernoulli-Navier), la legge di Hooke σ = E·ε (lezione L1) e le equazioni di equilibrio della sezione, con i concetti di momento statico (E1) e momento d’inerzia (E2). La lezione procede così: prima descriviamo che cosa succede a una trave inflessa (curvatura, piano e asse di sollecitazione, verso di rotazione), poi fissiamo le ipotesi di validità, infine facciamo il calcolo.

Il risultato in anteprima: σ = M · y / I. Capire da dove viene significa sapere anche quando non si può usare: ogni passaggio della dimostrazione corrisponde a una condizione di validità.
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La curvatura della trave e il momento flettente

Sotto l’azione di un momento flettente M l’asse della trave, prima rettilineo, si incurva.

Un tratto di trave di lunghezza dz si deforma come un arco di circonferenza. Il raggio di quella circonferenza è il raggio di curvatura ρ; il suo inverso 1/ρ è la curvatura: più il momento è grande, più la trave è incurvata e più ρ è piccolo. Le sezioni terminali del tratto non restano parallele: ruotano l’una rispetto all’altra di un angolo dφ.

O (centro di curvatura) dφ ρ fibra superiore: compressa fibra inferiore: tesa M M
Un tratto di trave inflesso: l’angolo dφ tra le sezioni terminali, il raggio di curvatura ρ, fibre superiori compresse e inferiori tese
  • Curvatura = 1/ρ: ha dimensioni 1/lunghezza (per esempio 1/m o 1/mm); nelle travi correnti è piccolissima, e il raggio ρ è dell’ordine di decine o centinaia di metri
  • Momento flettente M: è l’azione interna che produce la curvatura. Con la convenzione di G1 è positivo quando tende le fibre inferiori
  • Legame tra le due grandezze: lo ricaveremo nelle tavole 09-10; qui conta l’idea qualitativa: a momento maggiore corrisponde curvatura maggiore
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Il piano di sollecitazione e l’asse di sollecitazione

Due termini che descrivono dove agisce il momento flettente rispetto alla sezione.

Il piano di sollecitazione è il piano che contiene l’asse della trave e la direzione dei carichi che la inflettono. Taglia la sezione trasversale lungo una retta: è l’asse di sollecitazione, la traccia del piano di sollecitazione sul piano della sezione. Il vettore momento M è perpendicolare a questo piano, cioè perpendicolare all’asse di sollecitazione.

G asse y = asse di sollecitazione asse x il piano di sollecitazione è perpendicolare alla pagina e la taglia lungo l’asse y asse neutro = asse x (flessione retta) M M ⟂ asse di sollecitazione
Sezione rettangolare: l’asse di sollecitazione (tratteggiato) è la traccia del piano di sollecitazione; M gli è perpendicolare
Nell’uso quotidiano la trave è caricata dal basso verso l’alto o viceversa, cioè lungo un asse verticale della sezione: il piano di sollecitazione è un piano verticale e l’asse di sollecitazione è l’asse verticale della sezione.
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La definizione di flessione retta

Si ha flessione retta quando l’asse di sollecitazione coincide con un asse principale d’inerzia della sezione.

Per una sezione simmetrica (rettangolo, doppio T, sezione a T, cerchio…) un asse principale è sempre l’asse di simmetria. Se il piano di sollecitazione contiene l’asse di simmetria, la trave si inflette nello stesso piano del carico: l’asse deformato è una curva piana, e per questo si dice “retta”. In questo caso l’asse neutro, cioè la retta della sezione in cui le fibre non cambiano lunghezza, è la retta baricentrica perpendicolare all’asse di sollecitazione.

asse di sollecitazione coincide con un asse principale: flessione retta asse di sollecitazione non coincide con un asse principale: flessione deviata
Flessione retta (sinistra) e flessione deviata (destra), dalla stessa sezione rettangolare
Quando l’asse di sollecitazione non è un asse principale si ha la flessione deviata, già vista in G2 (tavola 09): il momento si scompone nelle due direzioni principali e le tensioni si sommano. In questa lezione ci limitiamo alla flessione retta, che è il caso fondamentale da cui discende anche la deviata.
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Il verso di rotazione della trave

Con un momento positivo la trave si incurva con la concavità verso l’alto: le fibre inferiori si allungano, le superiori si accorciano.

Guardiamo un piccolo tratto di trave, con l’asse z verso destra. Con la convenzione di G1, M è positivo se tende le fibre inferiori. La sezione di sinistra resta ferma di riferimento; la sezione di destra ruota rispetto ad essa: la parte alta si avvicina alla sezione di sinistra (le fibre superiori si accorciano) e la parte bassa se ne allontana (le fibre inferiori si allungano).

asse neutro: lunghezza invariata fibre superiori: più corte (compresse) fibre inferiori: più lunghe (tese) M M rotazione della sezione destra rispetto alla sinistra: antioraria (angolo ingrandito)
La sezione di destra ruota rispetto a quella di sinistra attorno all’asse neutro: sopra si accorcia, sotto si allunga
  • M positivo: concavità verso l’alto, fibre inferiori tese e superiori compresse, la trave “sorride”
  • M negativo: concavità verso il basso, fibre superiori tese e inferiori compresse (come nell’incastro di una mensola)
  • I segni sono convenzioni: per capire che cosa accade nella trave guarda sempre quali fibre si allungano e quali si accorciano. In cantiere conta questo, non il segno
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L’ipotesi di Bernoulli-Navier e il problema dell’ingobbamento

Le sezioni piane e ortogonali all’asse prima della deformazione restano piane e ortogonali all’asse deformato anche dopo la deformazione.

È l’ipotesi geometrica su cui poggia tutta la teoria tecnica della trave: ogni sezione si comporta come una lastra rigida che ruota attorno all’asse neutro. Da essa discende che l’allungamento di una fibra è proporzionale alla sua distanza dall’asse neutro.

le sezioni restano rette e ortogonali all’asse deformato tratteggio: asse neutro
Ipotesi di Bernoulli-Navier: le sezioni piane restano piane

Ma una trave reale è sollecitata anche dal taglio, e quando c’è taglio nascono le tensioni tangenziali τ (lezione G3). A queste corrispondono scorrimenti γ, diversi da fibra a fibra: la sezione smette di essere perfettamente piana e si ingobba.

sezione piana (solo M) sezione ingobbata (M e V), ingrandita
L’ingobbamento per effetto del taglio: lo scostamento dalla sezione piana è piccolo (qui è ingrandito)
Perché l’ipotesi resta valida per le travi comuni. L’ingobbamento è limitato, e il suo effetto sulle tensioni normali diventa trascurabile quando la lunghezza della trave è molto maggiore dell’altezza della sezione: nelle travi correnti il rapporto luce/altezza è dell’ordine di 10 o più (indicazione di massima, non un limite normativo). Per elementi tozzi, come le travi parete, l’ipotesi non è più accettabile e servono altri metodi.
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La validità della legge di Hooke

Per passare dalle deformazioni alle tensioni serve la legge di Hooke: σ = E · ε (lezione L1).

Applicarla alla flessione richiede che il materiale sia, nel campo di tensioni considerato, elastico lineare. In pratica si assumono quattro condizioni:

  • Comportamento elastico lineare: le tensioni restano nel tratto rettilineo del diagramma σ-ε. Oltre quel campo la distribuzione delle tensioni non è più lineare (tavole di H3 e H4 sul campo plastico)
  • Materiale omogeneo e isotropo: uguali proprietà in ogni punto e in ogni direzione, come l’acciaio (H3). Nel legno (H2, anisotropo) e nel cemento armato (H4, eterogeneo) la formula richiede adattamenti
  • Stesso modulo E a trazione e a compressione: è questa condizione a rendere il diagramma delle tensioni simmetrico rispetto all’asse neutro nelle sezioni simmetriche
  • Piccole deformazioni: gli spostamenti sono piccoli rispetto alle dimensioni della trave, per cui la geometria si può studiare sulla configurazione indeformata
Quando queste condizioni non sono soddisfatte non si abbandona il ragionamento: si sa quale ipotesi si sta forzando e si adotta il metodo opportuno, come per il cemento armato (sezione omogeneizzata, H4).
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Il diagramma delle deformazioni e delle tensioni

Sia la deformazione sia la tensione variano linearmente con la distanza dall’asse neutro.

sezione asse neutro ε ε − ε + σ σ max compressione σ max trazione C T z
Deformazioni ε e tensioni σ nella sezione: nulle sull’asse neutro, massime ai lembi; le risultanti C e T formano una coppia di braccio z
  • Asse neutro: ε = 0 e σ = 0; nella flessione retta passa per il baricentro (lo dimostreremo nella tavola 10)
  • Lembi estremi: massima compressione al lembo superiore e massima trazione al lembo inferiore (per M positivo). Se la sezione è simmetrica, i due massimi sono uguali in modulo
  • Coppia interna: le tensioni di compressione hanno risultante C e quelle di trazione risultante T, uguali e contrarie (N = 0): formano una coppia di braccio z, che equilibra M. È la stessa immagine usata in H4 per il cemento armato
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Ricavare la formula di Navier: la curvatura

Primo passo: esprimere analiticamente la curvatura e la deformazione di una fibra.

Consideriamo un tratto di trave lungo dz e, nella sezione, un elemento di superficie dA a distanza y dall’asse neutro (y positiva verso il basso, cioè verso le fibre tese per M positivo). Le due sezioni terminali ruotano l’una rispetto all’altra di dφ.

O dφ ρ y fibra neutra: ρ·dφ fibra a distanza y: (ρ+y)·dφ
La fibra neutra non cambia lunghezza (dz = ρ·dφ); la fibra a distanza y ha lunghezza (ρ+y)·dφ
dz = ρ · dφ da cui 1/ρ = dφ / dz

Dopo la deformazione la fibra a distanza y ha lunghezza (ρ + y)·dφ. Prima era lunga dz = ρ·dφ. L’allungamento è quindi (ρ + y)·dφ − ρ·dφ = y·dφ, e la deformazione:

ε = y·dφ / (ρ·dφ) = y / ρ
La deformazione è proporzionale a y, con costante di proporzionalità 1/ρ (la curvatura): è l’espressione analitica del diagramma triangolare della tavola 08. Nella fibra neutra (y = 0) vale zero; per y > 0 è un allungamento, per y < 0 un accorciamento.
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Ricavare la formula di Navier: Hooke ed equilibrio

Secondo passo: la legge di Hooke dà le tensioni; l’equilibrio della sezione dà il legame con M.

  • Hooke. σ = E · ε = E · y / ρ. La tensione cresce linearmente con y
  • Forza elementare. Su ogni elemento dA agisce la forza dF = σ · dA

La sezione deve essere in equilibrio sotto le forze elementari e l’azione interna M. Scriviamo le equazioni cardinali.

Equilibrio alla traslazione (lungo z)

Nella flessione pura lo sforzo normale è nullo: N = ∫σ dA = (E/ρ) · ∫y dA = 0. L’integrale ∫y dA è il momento statico della sezione rispetto all’asse neutro (E1): se è nullo, l’asse neutro è baricentrico. Ecco perché, nella flessione retta, l’asse neutro passa per G.

Equilibrio alla rotazione (attorno all’asse neutro)

Il momento delle forze elementari rispetto all’asse neutro deve uguagliare M: M = ∫σ · y dA = (E/ρ) · ∫y² dA. L’integrale ∫y² dA è il momento d’inerzia I della sezione rispetto all’asse neutro (E2). Quindi:

M = E · I / ρ da cui 1/ρ = M / (E · I)

La curvatura è proporzionale al momento e inversamente proporzionale al prodotto E·I, la rigidezza flessionale della trave: a parità di momento si incurva meno una trave con materiale più rigido o con sezione di maggiore inerzia.

Una conferma sul perché serve un asse principale. L’equilibrio alla rotazione attorno all’asse y (l’asse di sollecitazione) richiede che il momento delle forze elementari rispetto ad esso sia nullo: ∫σ · x dA = (E/ρ) · ∫x·y dA = 0. L’integrale ∫x·y dA è il momento centrifugo Ixy, che si annulla proprio se x e y sono assi principali d’inerzia (per esempio assi di simmetria). Per questo la formula vale per la flessione retta, e per la deviata serve una scomposizione.
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La formula generale di Navier per la flessione retta

Sostituendo 1/ρ = M/(E·I) nella legge di Hooke si ottiene la formula cercata.

σ = E · y / ρ = E · y · M / (E · I)

Il modulo E si semplifica: il risultato non dipende dal materiale.

σ = M · y / I
  • M: momento flettente nella sezione considerata (per esempio in N·mm)
  • y: distanza del punto considerato dall’asse neutro baricentrico (in mm), positiva verso le fibre tese
  • I: momento d’inerzia della sezione rispetto all’asse neutro (in mm⁴)
  • σ: tensione normale nel punto, in N/mm² = MPa; è di trazione dove y e M hanno lo stesso segno, di compressione altrove
Che cosa dice la formula. La tensione è nulla sull’asse neutro e cresce linearmente con la distanza da esso. A parità di M, una sezione con I maggiore ha tensioni minori. Il materiale vicino all’asse neutro lavora poco, e per questo i profilati a doppio T concentrano l’area nelle ali, lontano dall’asse (G2, tavola 12). Il modulo E non compare nella tensione, ma compare nella curvatura: lo stesso M produce tensioni uguali in acciaio e in legno, ma curvature molto diverse.
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Il modulo di resistenza a flessione W

Per la verifica interessa la tensione massima, ai lembi della sezione.

Con y = ymax (distanza del lembo più lontano dall’asse neutro) si ha σmax = M · ymax / I. Il rapporto I / ymax dipende solo dalla geometria e si chiama modulo di resistenza a flessione W:

W = I / ymax
σmax = M / W

W si misura in unità di lunghezza al cubo (mm³, cm³, m³): è un momento d’inerzia (lunghezza⁴) diviso una lunghezza.

SezioneIymaxW
Rettangolo b × h (h nel piano di flessione)b·h³/12h/2b·h²/6
Quadrato a × aa⁴/12a/2a³/6
Cerchio di diametro dπ·d⁴/64d/2π·d³/32
Una verifica che torna. Nel rettangolo le tensioni sono due triangoli di altezza h/2 con valore massimo σmax. Le risultanti sono C = T = ½ · σmax · b · (h/2) = σmax·b·h/4, applicate a 2/3 dell’altezza di ciascun triangolo, quindi a distanza z = 2h/3 l’una dall’altra. Il momento della coppia è M = C · z = σmax·b·h/4 · 2h/3 = σmax · b·h²/6 = σmax · W. Lo stesso risultato, da due strade diverse.

Sezioni non simmetriche rispetto all’asse neutro (per esempio la sezione a T) hanno due lembi a distanze diverse ysup e yinf, quindi due moduli di resistenza Wsup = I / ysup e Winf = I / yinf, e due tensioni massime diverse. Per i profilati commerciali (IPE, HE, UPN) W si legge direttamente dalle tabelle.

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Esempio svolto: trave rettangolare in legno

Una trave in legno di sezione rettangolare è sollecitata da un momento flettente in una sezione. Calcoliamo tensioni, deformazioni e curvatura.

b = 20 cm h = 40 cm −11,25 MPa +11,25 MPa M = 60 kN·m, E = 11 000 MPa (valori didattici)
Sezione 20 × 40 cm e diagramma delle tensioni per M = 60 kN·m
Esercizio

Trave in legno con sezione rettangolare b = 20 cm, h = 40 cm, in una sezione agisce M = 60 kN·m (flessione retta). Modulo elastico E = 11 000 MPa (valore indicativo). Calcolare σmax, la tensione a 10 cm dall’asse neutro, la deformazione massima e il raggio di curvatura. Dati inventati a scopo didattico.

  • Passo 1 — Geometria (in mm). I = b·h³/12 = 200 × 400³ / 12 ≈ 1,067 × 10⁹ mm⁴. W = b·h²/6 = 200 × 400² / 6 ≈ 5,333 × 10⁶ mm³ (= 5333 cm³)
  • Passo 2 — Tensione massima. σmax = M / W = 60 × 10⁶ N·mm / 5,333 × 10⁶ mm³ = 11,25 MPa (compressione al lembo superiore, trazione al lembo inferiore)
  • Passo 3 — Tensione a y = 100 mm. σ = M·y/I = 60 × 10⁶ × 100 / 1,067 × 10⁹ = 5,625 MPa: metà della massima, perché y è metà di ymax = 200 mm
  • Passo 4 — Deformazione massima. εmax = σmax / E = 11,25 / 11 000 ≈ 1,02 × 10⁻³ (circa 1,02‰)
  • Passo 5 — Curvatura. 1/ρ = M/(E·I) = 60 × 10⁶ / (11 000 × 1,067 × 10⁹) ≈ 5,11 × 10⁻⁶ mm⁻¹, quindi ρ ≈ 196 m. Controllo: εmax = ymax/ρ = 200 / 195 556 ≈ 1,02 × 10⁻³
Perché le travi si mettono “in piedi”. Se la stessa trave fosse posata di piatto (b = 40 cm, h = 20 cm) si avrebbe W = 40 × 20² / 6 ≈ 2667 cm³, la metà, e a pari momento la tensione massima sarebbe il doppio: 22,5 MPa. A parità di area, ruotare la sezione fa variare W (e quindi la resistenza) in proporzione a h/b.
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Autovalutazione

Quattro problemi per verificare la comprensione degli argomenti della lezione. Dati inventati a scopo didattico.

Problema 1

Una trave rettangolare 25 × 50 cm (h = 50 cm nel piano di flessione) è sollecitata da M = 80 kN·m. Calcolare il modulo di resistenza W (in cm³) e la tensione massima σmax in MPa. Dire in quali fibre si ha trazione se M è positivo.

Problema 2

Un tondo pieno di acciaio di diametro d = 40 mm (E = 210 000 MPa) è sollecitato da M = 0,8 kN·m. Calcolare W, σmax, la curvatura 1/ρ e il raggio di curvatura ρ.

Problema 3

Si deve dimensionare una trave rettangolare con base b = h/2 per un momento M = 45 kN·m, con tensione massima ammessa di 160 MPa. Ricavare il modulo di resistenza minimo e le dimensioni b e h necessarie, esprimendo W in funzione di h.

Problema 4

Una tavola di sezione 10 × 30 cm può essere posata “in piedi” (altezza 30 cm) oppure “di piatto” (altezza 10 cm). A parità di momento flettente, quanto vale il rapporto tra le tensioni massime nei due casi? E il rapporto tra le curvature? Spiegare il risultato con le formule W e 1/ρ.

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Riepilogo dei concetti chiave

  • Sotto il momento flettente M l’asse della trave si incurva; la curvatura è 1/ρ e le sezioni adiacenti ruotano di dφ, con dz = ρ·dφ
  • Il piano di sollecitazione contiene l’asse della trave e i carichi; la sua traccia sulla sezione è l’asse di sollecitazione, perpendicolare al vettore M
  • La flessione retta si ha quando l’asse di sollecitazione coincide con un asse principale d’inerzia (per sezioni simmetriche, l’asse di simmetria); in caso contrario la flessione è deviata
  • Con M positivo (fibre inferiori tese) la concavità è verso l’alto; la sezione destra ruota in senso antiorario rispetto alla sinistra
  • Bernoulli-Navier: le sezioni piane restano piane e ortogonali all’asse; l’ingobbamento da taglio è trascurabile nelle travi con luce molto maggiore dell’altezza
  • Hooke è valida per materiale elastico lineare, omogeneo e isotropo, con lo stesso E a trazione e a compressione e piccole deformazioni
  • Deformazione e tensione sono lineari in y: ε = y/ρ e σ = E·y/ρ; nulle sull’asse neutro, massime ai lembi; le risultanti C e T formano la coppia interna
  • L’equilibrio alla traslazione (N = 0) rende l’asse neutro baricentrico; l’equilibrio alla rotazione dà 1/ρ = M/(E·I); l’annullarsi del momento centrifugo richiede assi principali
  • Formula di Navier: σ = M·y/I; il modulo di resistenza W = I/ymax dà σmax = M/W; per il rettangolo W = b·h²/6